ARM架構(gòu)的關(guān)鍵能力

作者簡(jiǎn)介

十四年IT基礎(chǔ)設(shè)施研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，其中包括六年Linux kernel一線研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，在suse，華為，星際比特（技術(shù)合伙人）等公司工作。

作為團(tuán)隊(duì)核心成員參與了大陸第一個(gè)Cortex-A8 SOC芯片研發(fā)，負(fù)責(zé)CPU軟件驗(yàn)證，操作系統(tǒng)移植等工作。

作為華為派駐到Linaro的技術(shù)專家，主導(dǎo)/參與多個(gè)Linux與arm架構(gòu)相關(guān)特性研發(fā)（ILP32，continuous bit hint，kernel selftest等）

在拉斯維加斯，柏林，布達(dá)佩斯和北京多次發(fā)表技術(shù)演講

2022年6月6日，WWDC 2022，蘋果推出了新的Macbook Air和Macbook Pro，最大支持24G內(nèi)存和2T存儲(chǔ)，支持8k視頻，支持18-20小時(shí)的續(xù)航，價(jià)格分別是1199美元和1299美元起。二者都適用了蘋果最新自研的M2芯片。

作為底軟的吃瓜群眾，迫不及待的想把a(bǔ)ir拆開，一探究竟，無奈囊中羞澀。只好隔著屏幕一探M2的究竟。健哥整理了M1和M2的部分特性（表格橫屏查看）：

資料來源：Apple公司官網(wǎng)，整理人：健哥。原始表格：https://fvot4kwt4n.feishu.cn/sheets/shtcn69s9nbcvYxX0bAnDgxiAUb

M2使用了和A15一樣的兩個(gè)CPU IP Avalanche，Blizzard，分別作為性能核心和能效核心。二者組成大小核，會(huì)根據(jù)系統(tǒng)需要，選擇合適的CPU，平衡性能和功耗。ARM公司官方的最新大小核技術(shù)稱為DynamIQ。很遺憾，健哥暫時(shí)沒有查到蘋果大小核技術(shù)的更多信息，希望以后有機(jī)會(huì)向大家分享。

可以看到M2支持了更大的內(nèi)存和更好的帶寬。資料顯示，M2使用了LPDDR5 6400，帶寬可以到達(dá)100G。BTW，很多手機(jī)使用了LPDDR5，例如華為Mate P40，小米10，帶寬大約在30-40G。

健哥查到的第一個(gè)使用LPDDR5的筆記本是華為的擎云L420，這個(gè)筆記本使用了華為麒麟9006C SOC。該芯片也采用了5nm工藝，最高頻率3.13GHz。某東8+256的版本是7999元。

想了解一個(gè)ARM CPU，最為核心的是知道這個(gè)CPU的架構(gòu)，根據(jù)網(wǎng)上的資料，M2的CPU是支持ARMv8.5擴(kuò)展的。ARM從v8開始，除了v8，v9的大版本，還有若干小版本。目前最新的是v8.8和v9.3。雖然v8.5不是最新的ARM架構(gòu)，但是v9.0除了SVE2，CCA，其余和v8.5是一樣的。很多很多年之后，即使沒有ARMv8a處理器了，今天學(xué)習(xí)的v8.5特性，也是未來繼續(xù)跟蹤ARM架構(gòu)發(fā)展的很好的切入點(diǎn)。

從上圖可以看到v8.5的主要增強(qiáng)有：

MTE: Memory Tagging Extension；

BTI: Branch Target Identification；

隨機(jī)數(shù)生成器；

增強(qiáng)對(duì)PMEM的支持。

Memory Tagging Extension，顧名思義，是一個(gè)tag相關(guān)的特性。它使用了虛擬地址是不使用的位作為tag，可以用于use-after-free和buffer overrrun兩個(gè)內(nèi)存安全特性。

Branch Target Identification：從名字上可以看出，這是一個(gè)和跳轉(zhuǎn)相關(guān)的特性，作用是在頁(yè)表，PSTATE和BTI指令的配合下，檢查是否發(fā)生了預(yù)期之外的跳轉(zhuǎn)。如果是預(yù)期之外的跳轉(zhuǎn)，會(huì)觸發(fā)異常。

隨機(jī)數(shù)生成器是引入了RNDR，RNDRRS兩條指令。

對(duì)PMEM的支持：增加了PoDP，PoDP可以保證即使硬件故障導(dǎo)致了斷電，Persistent memory的數(shù)據(jù)不會(huì)出錯(cuò)。

除了第三個(gè)特性，其它三個(gè)看起來都有點(diǎn)復(fù)雜，其實(shí)用健哥上次直播介紹的ARM架構(gòu)三大基石（匯編，異常和內(nèi)存）和三步學(xué)習(xí)方法（理解原理，閱讀代碼，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證），咱們都能化繁為簡(jiǎn)。

比如BTI特性，由三部分組成

頁(yè)表中的GP位，用于設(shè)置是否是guarded page。這背后是對(duì)頁(yè)表的基本理解；

BTI指令用于指定檢查的規(guī)則。例如是否可以跳轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。這背后是匯編語言的基本語法和過程調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)（APCS64）；

PSTATE.BTYPE位用于在guarded區(qū)域（上面所說guarded page的區(qū)域）的指令是否產(chǎn)生異常。

可以看到，理解BTI特性需要從匯編，異常和內(nèi)存三方面配合理解。有了上面的初步了解，再結(jié)合原本plt的代碼代碼（下圖），我們可以想象在打開BTI特性的情況下，如果是guarded區(qū)域，br指令如果訪問了x16, x17之外的寄存器，會(huì)產(chǎn)生異常。

編譯器使能bti后，我們的確能看到0x790行插入了bti c指令。

對(duì)于MTE也是一樣的，學(xué)習(xí)MTE特性是對(duì)三大基石的鞏固和提高，然后我們可以借助對(duì)于MTE的了解，更多的理解軟硬件如何配合，近可以看看操作系統(tǒng)下為內(nèi)存安全還做了哪些事情，遠(yuǎn)可以更多學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理知識(shí)，從而更深理解操作系統(tǒng)。

在課程中，我們會(huì)和今天一樣，先從軟硬件系統(tǒng)的整體出發(fā)到ARM CPU，然后聚焦在匯編，異常和內(nèi)存三部分，每一部分都有三個(gè)學(xué)習(xí)要點(diǎn)，每個(gè)要點(diǎn)都通過原理，代碼和實(shí)驗(yàn)三部分打通。打通之后，我們通過對(duì)于更深入特性的拆解，驗(yàn)證前面的學(xué)習(xí)效果。歡迎大家報(bào)名我的ARM工作坊，我?guī)Т蠹乙黄鸫蛲ê捅艫RM架構(gòu)的關(guān)鍵能力。

原文標(biāo)題：Apple M2和ARMv8.5特性

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